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聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中得到了廣泛的關(guān)注和研究。本文介紹了聲發(fā)射技術(shù)的基本原理，總結(jié)了聲發(fā)射技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測研究中取得的成果及應(yīng)用情況，最后展望了聲發(fā)射技術(shù)在全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗領(lǐng)域的發(fā)展方向。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗是飛機(jī)設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、試飛和使用的全壽命過程中的重要一環(huán)，是檢驗飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)薄弱部位、驗證飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞性能、獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)的裂紋形成和裂紋擴(kuò)展壽命的重要方法和手段；能夠為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的檢修周期、檢修方法和壽命判定提供重要的依據(jù)；同時有助于飛機(jī)結(jié)構(gòu)危險部位的設(shè)計方案改進(jìn)。試驗中的損傷檢測是獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷形成和擴(kuò)展規(guī)律的重要手段，貫穿于試驗的全過程，是試驗成功的關(guān)鍵技術(shù)手段。試驗過程中損傷的早期、及時發(fā)現(xiàn)對保證試驗飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性、提高試驗效率、降低試驗風(fēng)險，確定使用壽命和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。同時，疲勞試驗中的損傷信息和采用的檢測方法對制定該機(jī)型外場使用維護(hù)手冊具有參考意義。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)全尺寸疲勞試驗中的損傷檢測主要使用傳統(tǒng)的無損檢測方法（目視、超聲、渦流、射線、滲透、磁粉等）和應(yīng)變片進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)變狀態(tài)變化趨勢監(jiān)控。常規(guī)無損檢測方法不能實時監(jiān)測損傷的發(fā)展，往往需要停機(jī)檢查，而且對于不可達(dá)部位實施無損檢測困難；而局部的應(yīng)變監(jiān)控也只能監(jiān)控變化趨勢，且試驗中應(yīng)變片數(shù)量龐大，缺乏有效的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)之間映射關(guān)系。從而造成損傷不能及時發(fā)現(xiàn)、損傷漏檢、試驗效率低、試驗周期長等問題。聲發(fā)射技術(shù)具有動態(tài)監(jiān)控、實時性點(diǎn)，能夠在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗中獲取裂紋萌生和擴(kuò)展的信息，因此得到了研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，逐漸成為提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

本文介紹了聲發(fā)射檢測原理，總結(jié)了聲發(fā)射技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測研究中所取得的成果及應(yīng)用情況，探討了聲發(fā)射技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗中應(yīng)用所面臨挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

聲發(fā)射技術(shù)

01.聲發(fā)射技術(shù)基本原理

聲發(fā)射技術(shù)的基本原理如圖1所示，具體是將高靈敏度的壓電傳感器安裝于受力構(gòu)件表面，形成一定數(shù)目的傳感器陣列，材料/結(jié)構(gòu)由于外部條件條件(如力、熱、電、磁等)的作用使物體發(fā)聲，通過實時對采集的發(fā)聲信號的特征識別和分析，對材料/構(gòu)內(nèi)部損傷作出及時判別。由于材料內(nèi)部發(fā)生變化，引起內(nèi)應(yīng)力的突然重新分布，使得機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能，即產(chǎn)生了聲發(fā)射信號。因此，基于聲發(fā)射信號的檢測方法可視為一種動態(tài)的監(jiān)測技術(shù)，可實時發(fā)現(xiàn)由于外界加載條件或環(huán)境變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷或潛在損傷。

02.聲發(fā)射信號參數(shù)

目前，常用的聲發(fā)射信號特征參數(shù)主要包含平均信號幅值、有效電壓、振鈴計數(shù)等。對于突發(fā)型聲發(fā)射信號，往往還包含上升時間、持續(xù)時間、時差等。圖2 為標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號參數(shù)定義。一個標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號的特征計算往往需要借助于門檻電壓的設(shè)置，不同特征的定義及用途如表1。

表1 常見聲發(fā)射參數(shù)內(nèi)涵

03.聲發(fā)射信號處理與分析方法

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)最主要目的是根據(jù)聲發(fā)射信號對試驗過程中結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生進(jìn)行早期預(yù)警定位、對損傷擴(kuò)展情況進(jìn)行有效監(jiān)控，建立具體材料結(jié)構(gòu)、具體損傷的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析與處理方法是試驗中實施聲發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵。目前，廣泛采用的聲發(fā)射信號處理與分析方法有參數(shù)分析和波形分析兩大類。

聲發(fā)射參數(shù)分析方法是基于信號的時域特征來直接提取損傷信息,主要有：單參數(shù)分析法、信號參數(shù)列表顯示法、參數(shù)相關(guān)圖分析法等。由于聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采集得到的時域信號參數(shù)均為有量綱型參數(shù)（如幅值參數(shù)等），這類參數(shù)通常與結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行工況以及環(huán)境因素相關(guān)，使得其對結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征變化不夠敏感。因此，需要通過無量綱化技術(shù)，減少外部因素對聲發(fā)射參數(shù)損傷敏感度的影響。常用的無量綱參數(shù)主要有波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、峭度指標(biāo)、Kurtosis指標(biāo)、b值指標(biāo)等。這幾種指標(biāo)在評價不同類型的信號時有著不一樣的敏感度，必須結(jié)合實際信號、應(yīng)用對象和現(xiàn)場情況選用適用的評價指標(biāo)。聲發(fā)射波形分析技術(shù)，不僅利用了聲發(fā)射信號的時域特征參數(shù)，同時引入了聲發(fā)射信號的頻域特征參數(shù)和波傳播特征參數(shù)，多參數(shù)融合分析提高了缺陷損傷檢測的可靠性。對于頻域特征信號的分析，通常采用傅里葉變換的方法，即，檢測信號的頻域特征發(fā)生變化，說明檢測區(qū)域的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了異常，但這種頻域分析方法無法定位異常的具體位置。因此，結(jié)合頻域信息與時域信息，采用小波變換等時頻域分析方法，可以得出聲發(fā)射信號頻譜的異常及其時域位置信息。結(jié)合波傳播特征參數(shù)（如：波速等），即可識別出一維情況下聲發(fā)射源（即，結(jié)構(gòu)異常處）的位置，通過聲發(fā)射傳感器陣列，最終確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷損傷位置。

另外，除常用經(jīng)典的聲發(fā)射信號參數(shù)和定位分析之外,國外開展了基于波形分析基礎(chǔ)之上的模態(tài)分析、小波分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等研究；同時，聲發(fā)射信號參數(shù)也采用了模式識別、灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊分析等先進(jìn)信號分析技術(shù)。

聲發(fā)射技術(shù)實施的關(guān)鍵是獲取飛機(jī)結(jié)構(gòu)中由裂紋萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，核心器件是高靈敏度的壓電傳感器。利用壓電材料的壓電效應(yīng)，傳感器接收到特定頻段的聲信號，并經(jīng)系統(tǒng)處理后以電信號形式存儲記錄，通過分析這些信號的特征及其變化情況來判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷、損傷是否擴(kuò)展的一種無損檢測新技術(shù)。它可以不對結(jié)構(gòu)/材料表面施加任何激勵，而是被動的獲取結(jié)構(gòu)/材料內(nèi)部發(fā)射出來的聲發(fā)射信號；它是一種被動檢測方式，可以對飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實施檢測。其主要特點(diǎn)在于能對結(jié)構(gòu)斷裂行為進(jìn)行實時的動態(tài)分析，以及動態(tài)檢測/監(jiān)測和評價結(jié)構(gòu)完整性。從無損檢測的角度來看，聲發(fā)射技術(shù)有助于解決以下四個方面的問題:①何時出現(xiàn)損傷；②是什么性質(zhì)的損傷；③在什么地方出現(xiàn)損傷；④損傷的嚴(yán)重程度如何。因此，聲發(fā)射技術(shù)能解決傳統(tǒng)無損檢測手段不足，可為保障飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗順利進(jìn)行、監(jiān)控?fù)p傷萌生和擴(kuò)展，豐富試驗檢測手段。

隨著信號處理技術(shù)，傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，聲發(fā)射檢測儀器也逐漸成熟，并走向商品化、系列化，從而推動了聲發(fā)射技術(shù)從實驗室的基礎(chǔ)研究向工程大型結(jié)構(gòu)件的無損檢測應(yīng)用發(fā)展，具有代表性有美國PAC公司、德國VALLEN Systeme公司、日本日鐵株式會社、俄羅斯新西伯利亞恰普雷金國家航空研究院和中國聲華公司相繼研發(fā)的聲發(fā)射儀器。目前，聲發(fā)射儀器的可靠性大大提高、體積小、重量輕，全數(shù)字式聲發(fā)射檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對信號的多種分析和處理，面向不同應(yīng)用對象的信號處理軟件不斷研發(fā)并得到應(yīng)用。

歐美等發(fā)達(dá)國家將聲發(fā)射技術(shù)作為飛機(jī)全機(jī)地面靜力/疲勞試驗和飛機(jī)研制、生產(chǎn)過程中的重要檢測手段，并開展研究多年，在試驗中取得了滿意的應(yīng)用效果，如美國應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對C-2運(yùn)輸機(jī)、C-130運(yùn)輸機(jī)、B－1轟炸機(jī)、F111、F-15飛機(jī)的疲勞裂紋進(jìn)行了監(jiān)測，瑞典SAAB對JAS-39整機(jī)靜力/疲勞試驗進(jìn)行監(jiān)測。據(jù)統(tǒng)計，美國的P－3、A4、F－111、F－14、F－15、F－16、CH47、RAH66 、SH60、B707、B737、B747、B777；英國的VC－10；空客的A340以及MD飛機(jī)等都已將聲發(fā)射技術(shù)作為重要的監(jiān)測手段。

俄羅斯在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面中的損傷檢測方面較早開展了理論和應(yīng)用研究，進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析，已形成了一批具有工程應(yīng)用價值的硬件和軟件系統(tǒng)以及實施方法。其中，俄羅斯新西伯利亞恰普雷金國家航空研究院采用聲發(fā)射進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗中的損傷監(jiān)測，其損傷監(jiān)測覆蓋達(dá)85%以上。

我國從20世紀(jì)90年代也開始聲發(fā)射技術(shù)的研究，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗中應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，取得了一定的成果，代表性的有北京航空工程技術(shù)研究中心和中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所。其中，北京航空工程技術(shù)研究中心在二代機(jī)和三代機(jī)全機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度地面試驗中采用聲發(fā)射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了主梁螺孔疲勞裂紋、中央翼右側(cè)墻螺栓孔裂紋、平尾大軸的腐蝕、平尾邊肋裂紋等重要損傷。中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所針對飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)開展了大量的聲發(fā)射技術(shù)研究，并逐步在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗中進(jìn)行應(yīng)用，成功地監(jiān)測了鋁合金整體結(jié)構(gòu)疲勞試驗中裂紋、某型全機(jī)靜力試驗中的的裂紋和斷釘?shù)鹊戎匾獡p傷，如圖4所示。

圖4 整全機(jī)靜力試驗中的聲發(fā)射應(yīng)用研究

展   望

我國航空科學(xué)技術(shù)進(jìn)入一個高速發(fā)展的時期，多種型號進(jìn)入試驗階段，對試驗的效率及試驗精度提出了更多更高的要求。尤其在全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗中，對損傷的聲發(fā)射檢測的及時性、可靠性提出了挑戰(zhàn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗領(lǐng)域的聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用研究比較多，取得了較多成果，逐漸成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面試驗中重要的無損檢測手段之一。但是，聲發(fā)射技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗中尚未完全發(fā)揮出聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢。面對飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗要求，還面臨諸多難點(diǎn)需要解決：

1)噪聲的干擾：聲發(fā)射信號極易受到環(huán)境噪聲的干擾，尤其是在全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗中試驗環(huán)境復(fù)雜，試驗過程中的大幅度機(jī)械噪聲干擾，噪聲源主要來自于飛機(jī)結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下的位移和磨擦，幅度大且頻率分布廣，使得微弱的疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號容易被淹沒，嚴(yán)重的噪聲干擾造成信號處理分析困難；

2)損傷識別可靠性較低：目前主要采用基于參數(shù)分析的方法和基于波形的模態(tài)分析方法，而聲發(fā)射信號參數(shù)多，建立損傷與聲發(fā)射特征參數(shù)困難；

3) 信息處理手段難以實施：聲發(fā)射技術(shù)的測量結(jié)果通常是以統(tǒng)計的形式呈現(xiàn)，其可靠性和直觀性較低，結(jié)合先進(jìn)的信號處理與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用模糊算法、灰色關(guān)聯(lián)分析和其他智能算法，提高聲發(fā)射技術(shù)的可靠性和直觀性，是損傷檢測向智能化方向發(fā)展的關(guān)鍵。

引用本文：

白生寶，肖迎春，楊宇，劉國強(qiáng)，黃博.飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中的聲發(fā)射應(yīng)用進(jìn)展[J].環(huán)境技術(shù)，2021，233(05):121-124+138.

專家簡介：白生寶,男,高級工程師，碩士，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與管理技術(shù)研究。